現場(chǎng)總線(xiàn)在上海焦化有限公司的應用

上海焦化有限公司是以煤為原料生產(chǎn)焦炭、煤氣以及化工產(chǎn)品的企業(yè),有6臺焦爐主要生產(chǎn)焦炭、煤氣以及煤焦油的產(chǎn)品如:苯、酚、萘、蒽油等。1991年新上了空分、德士古、U-GAS和甲醇4套裝置,且均使用霍尼韋爾的TDC3000集散系統。老廠(chǎng)區的儀表有一套霍尼韋爾小型集散系統UDC9000,4套橫河公司的μχL集散系統,一套浙大中控的JX300集散系統,一套浙江威盛的集散系統?，F我公司共有集散系統11套,主要生產(chǎn)裝置全使用集散系統進(jìn)行監控。

公司在2003年又新上一套15萬(wàn)頓甲醇裝置,該裝置位于原20萬(wàn)噸甲醇裝置的西北角,離原甲醇裝置的中央控制室平均距離有400～500m。我們準備將新甲醇的控制室放在原來(lái)老甲醇的控制室內,如果還是采用集散系統將存在一些問(wèn)題,如控制室內機柜放不下、電纜費用太高等問(wèn)題。根據實(shí)際情況我們在新甲醇裝置上采用較先進(jìn)的現場(chǎng)總線(xiàn)控制系統（FCS）。

甲醇裝置FCS采用的是艾默生公司FF現場(chǎng)總線(xiàn)系統。該控制系統實(shí)際上是一個(gè)混合的控制系統。系統由Rosemount的DeltaV冗余控制系統、FF現場(chǎng)總線(xiàn)儀表、Profibus總線(xiàn)儀表、FF現場(chǎng)總線(xiàn)遠程I/O以及現場(chǎng)總線(xiàn)閥門(mén)定位器等所組成。

FCS和DCS的區別

FCS與DCS是不同性質(zhì)的控制系統,其主要區別如表所示。從本質(zhì)上講,FCS系統是把對現場(chǎng)設備的控制策略放在設備層,即放在現場(chǎng)儀表內部去實(shí)施,而不是象DCS是放在控制層,即集中的控制器中去實(shí)施。這首先要求FCS系統支持多種符合國際標準的現場(chǎng)總線(xiàn),具有與各類(lèi)現場(chǎng)儀表進(jìn)行通信的能力。

由于FCS是一種近年來(lái)發(fā)展的新一代的控制系統,國內已在著(zhù)手進(jìn)行研究和開(kāi)發(fā),我國推出EPA系統,已提交國際組織討論。另外,對FCS系統的規模大小的評定指標也與對DCS系統規模大小的評定指標完全不同。對于后者,目前公認的指標是看該系統的輸入、輸出點(diǎn)數,根據點(diǎn)數來(lái)劃分大型、中型或小型。但是對于前者,則主要看它包含的現場(chǎng)總線(xiàn)網(wǎng)段的多少。因為一個(gè)網(wǎng)段只能掛8～10個(gè)儀表,所以系統越大肯定網(wǎng)段就越多。

FCS與DCS功能對比表

現場(chǎng)總線(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)

節省硬件數量與投資
由于FCS中分散在現場(chǎng)的智能儀表能直接執行多種傳感、控制、報警、計算和調節功能,因而可減少儀表硬件的數量,不再需要單獨的調節器、計算單元等,也不再需要DCS系統的信號調節、轉換、隔離等功能單元及其復雜接線(xiàn),還可以用工業(yè)PC機作為操作站,從而節省了一大筆硬件投資,并可減少控制室的占地面積。

節省安裝費用
FCS接線(xiàn)簡(jiǎn)單,一對雙絞線(xiàn)或一條電纜上通?？蓲旖佣鄠€(gè)設備,因而電纜、端子、槽盒、橋架的用量大大減少,連線(xiàn)設計與接頭校對的工作量也大大減少。當需要增加現場(chǎng)控制設備時(shí),無(wú)需增設新的電纜,可就近連接在原有的電纜上,既節省了投資,也減少了設計、安裝的工作量。據有關(guān)典型試驗工程的測算資料表明,可節約安裝費用60％以上。

節省維護開(kāi)銷(xiāo)
智能儀表具有自診斷與簡(jiǎn)單故障處理的能力,并通過(guò)數字通信將相關(guān)的診斷維護信息送往控制室,用戶(hù)可以查詢(xún)所有設備的運行、診斷維護信息,以便早期分析故障原因并快速排除,縮短了維護停工時(shí)間,同時(shí)由于系統結構簡(jiǎn)化,連線(xiàn)簡(jiǎn)單而減少了維護工作量。

用戶(hù)具有高度的系統集成主動(dòng)權
用戶(hù)可以自由選擇不同廠(chǎng)商所提供的設備來(lái)集成系統。如焦化的系統中有FF、Profibus、還有Modbus的通信協(xié)議等。

提高了系統的準確性與可靠性
由于現場(chǎng)總線(xiàn)設備的智能化、數字化,從根本上提高了測量與控制的精確度,減少了傳送誤差。同時(shí),由于系統的結構簡(jiǎn)化,設備與連線(xiàn)減少,現場(chǎng)儀表內部功能加強,減少了信號的往返傳輸,提高了系統的工作可靠性。

信息量大
由于現場(chǎng)智能儀表的設備標準化、功能模塊化、硬件智能化、數據數字傳送的特點(diǎn),所以在人機接口CRT上可以獲得比DCS大得多的信息量。許多原來(lái)在DCS上無(wú)法實(shí)現的設備診斷軟件可以使用。

艾默生FCS簡(jiǎn)介
艾默生的控制系統實(shí)際上是一個(gè)混合的控制系統。系統由Emerson的DeltaV冗余控制系統、FF現場(chǎng)總線(xiàn)儀表、獨立的PLC、五大機組控制用的PLC、FF現場(chǎng)總線(xiàn)遠程I/O以及現場(chǎng)總線(xiàn)閥門(mén)定位器等所組成,如圖所示。整個(gè)控制系統由冗余的控制網(wǎng)絡(luò )、操作站及控制部分3部分構成。

操作站
15萬(wàn)噸甲醇的控制系統在控制室內包括4臺操作站、1臺工程師站、1臺APP應用工作站（用于工廠(chǎng)管理）、兩對HUB。操作站作為人機接口供操作人員對現場(chǎng)工藝過(guò)程進(jìn)行監控。工程師站用于系統的開(kāi)發(fā)和組態(tài)、包含系統全部數據庫。應用工作站主要的作用是將FCS與公司的MIS網(wǎng)絡(luò )相隔離,從而避免萬(wàn)一MIS系統的病毒等侵入FCS系統。中控室的這些設備通過(guò)HUB利用光纖通信與現場(chǎng)的控制機柜連接形成系統,完成組態(tài)、運行、操作等完整的控制功能。

控制網(wǎng)絡(luò )
為了系統的可靠,FCS系統配置了冗余的控制網(wǎng)絡(luò ),其為通信提供了安全性和可靠性。在中控室通過(guò)兩個(gè)不同的HUB及連接光纜,接入位于現場(chǎng)的兩個(gè)控制機柜中的兩個(gè)不同的HUB,建立了兩條完全獨立的網(wǎng)絡(luò ),形成冗余的主副網(wǎng)絡(luò )集線(xiàn)器,提高了系統的可靠性。

控制器
系統中配有兩套控制機柜,每套機柜中裝有8塊H1卡?？刂破鳛镸D控制器,具有管理所有I/O卡件的控制活動(dòng);管理所有的網(wǎng)絡(luò )通信功能;管理時(shí)間抽樣、報警、趨勢對象;執行控制策略,在100ms內完成從輸入通道取信號、控制策略執行、傳送結果到輸出通道。

每對控制器下為8塊H1卡,H1卡可通過(guò)總線(xiàn)方式將現場(chǎng)總線(xiàn)設備信號連接到DeltaV系統中,連接電纜為屏蔽雙絞線(xiàn)。H1卡下帶有2個(gè)port,即2個(gè)干線(xiàn)段（Segment）,通過(guò)P＋F安全柵模盒連接現場(chǎng)總線(xiàn)儀表,每個(gè)干線(xiàn)段最多帶12臺總線(xiàn)儀表。

4～20mA常規儀表,包括電動(dòng)機開(kāi)、停信號等,設計為遠程I/O,采用Modbus-RTU通信,通過(guò)serial卡與控制器相互通信。

5臺大型機組信號分別采用Modbus-RTU協(xié)議、Profibus-DP協(xié)議與控制器相連,集成為一整套工廠(chǎng)底層網(wǎng)絡(luò )系統,再通過(guò)APP與企業(yè)信息網(wǎng)絡(luò )連為一體。

總線(xiàn)儀表選用Honeywell的壓力、差壓變送器、E+H雷達液位計、SAMSON智能閥門(mén)定位器等。與常規模擬儀表控制回路不同的是:現場(chǎng)總線(xiàn)儀表最大的特點(diǎn)是它的控制單元在物理位置上可與測量變送單元或操作執行單元合為一體,PID功能既可放在變送器,也可放在閥門(mén)定位器。因而在現場(chǎng)就可構成完整的基本控制系統,又由于總線(xiàn)儀表所具有的通信能力,可與多個(gè)現場(chǎng)智能設備溝通。綜合信息便于構成多個(gè)變量參與的復雜控制系統與精確測量系統。另外,它的數字通信特點(diǎn)使它不僅可以傳遞測量的數值信息,還可傳遞設備標識、運行狀態(tài)、故障診斷狀態(tài)等信息。

P＋F公司的RPI遠程I/O是應用總線(xiàn)技術(shù)將隔離式安全柵與遠程I/O功能結合于一身,滿(mǎn)足安全防爆功能。其I/O模塊具有點(diǎn)對點(diǎn)配置、點(diǎn)對點(diǎn)隔離的特性?，F場(chǎng)信號點(diǎn)對點(diǎn)接入I/O模塊后,經(jīng)網(wǎng)關(guān)通過(guò)外部總線(xiàn)與控制系統相連。RPI系統配置雙網(wǎng)關(guān)、雙倍電源模塊,遠程I/O直接安裝在防爆區內。

該FCS于2003年10月裝置開(kāi)車(chē)投運以來(lái),運行情況良好。